Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

חלוף שדה בהתבסס Photoacoustics: הערכת נכס אופטית על משטחים

Published: July 26, 2016 doi: 10.3791/54192
Automatic Translation
1, 2, 3, 3, 3, 3
1Biomedical Engineering, Duquesne University, 2Department of Computer Science, University of Missouri, 3Department of Bioengineering, University of Missouri

Summary

כאן אנו מציגים פרוטוקול להעריך חומר משטח תכונות אופטיות באמצעות אפקט photoacoustic בשילוב עם השתקפות פנימית מוחלטת. טכניקה זו photoacoustics חלוף מבוססות בשטח שניתן להשתמש בהם כדי ליצור מערכת מטרולוגיה photoacoustic להעריך עוביים 'חומרים, בתפזורת ומדדי השבירה סרט דק, ולחקור התכונות האופטיות שלהם.

Introduction

התקדמויות בהבנת חומרים אופטיים 1,3,4,6,7,10,13-16 סיפקו תובנות חדשות על יצירה של חומרים סרט דק עבור שורה של מכשירים אופטיים, כולל ציפויים antireflection על עדשות, יחס הכחדה גבוהה אופטי מסננים, ו -17 בגלבו לוח קולטת מאוד. הפיתוחים האלה לא יהיה אפשרי ללא שימוש בטכניקות אפיון רבים, כגון ellipsometry 4,6,18, מדידת זווית המגע, מיקרוסקופ כוח אטומי 7,11,19, וכן במיקרוסקופ אלקטרונים סורק / שידור, אשר מסייעים בשיפור איטרטיבי של טכנולוגיות אלה על ידי מתן אמצעים ישירים או עקיפות הערכות של תכונות חומר אופטיות יסוד. אמר תכונות, כגון המקדם השביר, להסדיר את האופן שבו חומרי אינטראקציה עם פוטוני אירוע, אשר משפיע על התפקוד שלהם ישירות והשימוש בם יישומים אופטיים. עם זאת, כל הטכניקות האלה יש מגבלות הנוגעות resolution, הכנת מדגם, עלויות ומורכבות, וכל אחד מייצרים רק קבוצת משנה של הנתונים הדרושים כדי לאפיין את החומר במלואו. עם זאת, קבוצה חדשה של טכניקות, המכונה photoacoustics שדה מבוססי חלוף (EFPA) 5,6,15,18,20-49 כפי שמוצג באיור 1, הוא בעל פוטנציאל להעריך תכונות החומר הננומטרי בתוך המאוחדים קבוצה של ניסויים. EFPA מקיף את-טכניקות משנה של ספקטרוסקופיה photoacoustic החזרה גמורה (TIRPAS) 23,25,26,33-35,43-45, ספקטרוסקופיה photoacoustic / refractometry ספקטרוסקופיה פנימית מוחלטת השתקפות photoacoustic (PAS / TIRPAS refractometry) 18, ו photoacoustic מנהור אופטי ספקטרוסקופיה (OTPAS) 6, ויש בו נעשה שימוש כדי להעריך בתפזורת ואת מקדם שבירת סרט דק, עובי סרט, כמו גם לזהות אמצעי סופגים בכל ממשק פריזמה / מדגם או מצע / מדגם.

על מנת להבין את מנגנון EFPA, אחדצריך קודם להבין את המושג של ספקטרוסקופיה photoacoustic (PAS), אשר מתייחסת לדור של גלי לחץ קוליים על ידי ההתרחבות המהירה thermoelastic של chromophore, בעקבות הספיגה של דופק אולטרה קצר (<μsec) אור (איור 1). מסגרת תיאורטית ומתמטית להשפעת photoacoustic שנדון במאמר זה ניתן להשיג כאן 50-59. השינוי וכתוצאה מכך לחץ יכול להיות מזוהה על ידי מיקרופון או מתמר אולטראסאונד. ההשפעה photoacoustic, במקור גילה בשנת 1880 עם המצאת פוטופון של אלכסנדר גרהם בל, היה "מחדש" בתחילת שנות ה -1970 בשל התקדמות לייזר וטכנולוגיה מיקרופון, ובסופו של דבר הוכנס לשימוש מעשי למלא יישומי נישה מהדמיה ביו סרט דק ניתוח בדיקות ללא הרס של חומרים. 1,53-57,59-82 השפעה זו יכולה להיות מתוארת מתמטית עם משוואות גלים חד ממדיות, שבו הגל הדואר הוא מקור אקוסטי פשוט שאת הלחץ (p) משתנה בשני עמדה (x) וזמן (t):

Equation1

עם פתרונות עבור מקורות אקוסטי פשוט של טופס 64

Equation2

כאשר p הוא הלחץ, Γ = αv של 2 / C p שבו α הוא מקדם התפשטות תרמית נפח, v s הוא ממהירות הקול בטווח הבינוני, ו- C p הוא קיבול חום בלחץ קבוע, H 0 הוא החשיפה קורן של קרן לייזר, c הוא מהירות הקול בטווח הבינוני נרגש, x הוא אורך, ו t הוא הזמן. סדר הגודל של גל אקוסטי וכתוצאה מסתמך ישירות על מקדם הקליטה האופטי של החומר, מיקרון a, which הוא ההופכי של עומק החדירה האופטי, δ, שהוא בתורו מדד של מרחק האור נוסע עד שהוא דועך 1 / e של העוצמת האופטית הראשונית שלה. בעוד משוואה (1) היא משוואה כללית מקור גל מישורים חד ממדיים, בולמים טיפוסיים, פולט גל אקוסטי כדורי בשלושה ממדים. מעבר התיאור המתמטי, יישומים של שיטות הדמיה רבות span 54 אפקט photoacoustic כגון מיקרוסקופיה, טומוגרפיה, ואפילו הדמיה מולקולרית בשל אפקט photoacoustic שיש רגישות גבוהה בשל הקליטה האופטית הגדולה בשל המוגלובין כרומופור באופן טבעי. יישומים אחרים של האפקט photoacoustic אפילו כוללים להערכת נכסי סרט דקים שונים 15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84. עם זאת, PAS יש מגבלות מסוימות: (1) עומק החדירה אופטית הנרחב שלה מבטל את היכולת לחקור שדה ליד תכונות אופטיות ב משטחים (2) זההיעילות של של לכידת האנרגיה האקוסטית הנפלטת היא נמוכה בשל ריבוי הכדורי של רוב האנרגיה מן הגלאי (3) דגימות חייבות לכלול chromophores במשטר הגל נדון.

בשילוב עם טכניקות שדה מבוססי חלוף, אולם, רבים של מגבלות אלה יכולים להשתפר. שדה החלוף מתרחש כאשר קרן האור עוברת השתקפות הפנימית המוחלט (TIR), כפי שתואר על ידי חוק סנל, המשפיע גם מאפשר בגלבו סיבים אופטי להנחות מרחקים גדולים אור (קילומטר) עבור יישומי חישוב ותקשורת. ביישומים מעשיים, שדה החלוף משמש במגוון טכנולוגיות אפיון הדמיה, כולל ספקטרוסקופיה החזרה הכולל מוחלשים (ATR). הדמיה מושגת עם ניגודיות גבוהה בשל סגירתם של האור בתוך מאה ננומטרים הראשונים לתוך המדגם של עניין. שדה החלוף לובש צורה של exponentially המתפורר שדה המשתרע לתוך המדיום חיצוני עומק החדירה אופטי כי הוא בדרך כלל בסדר גודל של אורך הגל בשימוש (בדרך כלל ~ 500 ננומטר או פחות) כפי שמוצג משוואות 3 ו -4.

Equation3

איפה אני נמצא את עוצמת האור% בכל z מיקום מממשק פריזמה / המדגם, אני 0 הוא את עוצמת האור הראשוני% על הממשק, z הוא המרחק ננומטר, ו- p δ הוא עומק החדירה אופטי כמוצג במשוואה 4. עם עומק חדירה אופטי קטן כזה, שדה החלוף הוא מסוגל לקיים אינטראקציה עם הסביבה קרובה מאוד לממשק של שני החומרים, והרבה מתחת גבולות השבירה האופטיים ואקוסטי. התכונות האופטיות של חומרים או חלקיקים בטווח זה עלול להפריע בתחום או אחרת לשנות דור שלה, אשר האינטראקציה ניתן להבחין באמצעות מגוון שיטות 3,5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95.

כאשר טכניקות חלוף משולבים עם PAS, צורות גל photoacoustic המיוצר יכול לשמש כדי לאפיין חומרים או חלקיקים באינטרקציה עם שדה חלוף, יוצרים את photoacoustics מבוסס-שדה חלוף (EFPA) משפחה של טכניקות, כפי שמוצג באיור 1. משפחה זו כוללת, אבל אינו מוגבל, ספקטרוסקופיה photoacoustic פנימית השתקפות כוללת (TIRPAS), ספקטרוסקופיה photoacoustic מנהור האופטי (OTPAS), ותהודת plasmon משטח ספקטרוסקופיה photoacoustic (SPRPAS). הקורא המעוניין לעיין בהערות הבאות עבור לנגזרות של המשוואות המשמשות 5,6,18,23,25,26,33-35,43-47 TIRPAS, PAS / TIRPAS refractometry 18, ו OTPAS 6. בכל מקרה, השפעת photoacoustic מופקת באמצעות מנגנון עירור שונה מאשר העברה פשוטה דרך פריזמה; למשל, ב TIRPAS, האור הוא evanescentlyמצמיד באמצעות ממשק פריזמה / מצע / מדגם לתוך chromophores (אשר יכול לכלול חומר המדגם עצמו, או מולקולות אורח בתוך המדגם), ואילו SPRPAS, במצב של העירור העיקרי הוא במקום דרך הקליטה של ​​plasmon שטח, המהווה גל EM משני נוצר כאשר האנרגיה של שדה החלוף מועברת לתוך ענן האלקטרונים של שכבת מתכת שהונחה על פני שטח פריזמה. המשפחה של טכניקות זה הומצא במקור בשנות ה -1980 המוקדמות על ידי Hinoue et al., ומשופר על ידי ט Inagaki et al. עם המצאת SPRPAS, אך נעשו עבודות פיתוח מעט מאוד בשל מגבלות טכניות של מקורות אור ציוד איתור זמין . לאחרונה, חקירות קודמות הראו כי רגישות מוגברת וקהילה אפשריות עם פלואוריד polyvinylidene המודרני (PVDF) גלאי אולטרא נופך אלומיניום איטריום מסומם ניאודימיום q הממותגת: לייזרים (Nd YAG). באופן ספציפי, שבריר שני-פעם Nd: YAGלייזרים לגרום 10 6 גידול של פי החשמל בשעות שיא הצריכה, המאפשר טכניקות EFPA להיות כלים שימושיים להערכת התכונות האופטיות של מגוון חומרים וממשקים 5,6,15,18,21-29,31-47,84 , 96. בנוסף, מחקרים קודמים נוספים הוכיחו את היכולת של טכניקות כאלה כדי לקבוע מידע מבני על חומרי ממשק, שהיה בעבר לא בר השגה עם טכנולוגיות ספקטרוסקופיה photoacoustic המסורתית (PAS) בשל עומק החדירה הגדול יחסית שלהם 53,55,57,59, 61,62,69,73,75,80,81.

יכולת זו מוצגת בפרוטוקולים הבאים תחת טכניקת OTPAS; עם זאת, ברמה בסיסית יותר בשלוש טכניקות כל להסתמך על משוואה סופית שונה, אשר קובע את היכולות של הטכנולוגיה. לדוגמה, ב TIRPAS, את עומק החדירה אופטי של שדה חלוף, δ 'עמ, בעיקר שמניע את אקוסטי וכתוצאה מכך עוצמת אות על מדגם קולט, והוא מתואר על ידי:

Equation4

שם λ 1 הוא אורך הגל של האור העובר המדיום פריזמה מוגדר על ידי היחס λ 1 = λ / n 1 שבו n 1 הוא מקדם השבירה של החומר פריזמה. בנוסף, θ מתייחס לזווית של עירור, ו n 21 כולל את היחס בין המדדים השבירים של כל בינוני מוגדר על ידי n 21 = n 2 / n 1, שבו n 2 הוא מקדם השבירה של החומר המדגם. ככל שעולה עומק החדירה האופטי, חומר יותר מתבצע מוקרן. לקבלת האפקט photoacoustic, את עומק החדירה האופטי גדול, החומר יותר לריגוש שיכול לייצר גלים אקוסטיים שמובילים אות אקוסטי גדולה.

class = "jove_content"> בניגוד TIRPAS אולם, ב PAS / TIRPAS refractometry המשוואה העיקרית היא חוק סנל:

Equation5

כאשר n 1 הוא מקדם השבירה של המנסרה, θ 1 היא זוית פגיעה על ממשק פריזמה / מדגם, n 2 הוא מקדם השבירה של המדגם, ואת θ 2 הוא הזווית של האור משתקפת הדרך השנייה בינוני. הרגישות של אמידת מקדם השבירה של החומר הוא מונע בעיקר על ידי דיוק של אמידת θ 1. החזרה גמורה, אשר מושגת כאשר θ 1 הוא מעבר לזווית הקריטית אשר יוצר שדה חלוף, חטא θ 2 = 1 ולכן, משוואה 5 מקטין ל n 2 = n 1 sinθ 1. (הערה: θ 1 =θ קריטי) ידיעת הזווית שבה הנגזר המספרי (DP / dθ כאשר P הוא שיא ​​מתח שיא של האות photoacoustic ו θ היא הזווית של שכיחות של אור עם המדגם) של האות photoacoustic יש ומינימום מקומי מאפשר לאמידת θ 1 המאפשר למשתמש לפתור עבור n 2 ובכך להעריך את מקדם השבירה עיקר מדגם כפי שמוצג באיור 1.

לבסוף, ב OTPAS, המשוואה הבאה מתייחסת תמסורת אופטית ב% לשיא photoacoustic למתח שיא ידי:

Equation6

שם T הוא התמסורת האופטית אחוז, p הוא שיא-לשיא המתח שנוצר על ידי הקשת זוויתי של מצע עם סרט על זה, p 0 הוא מתח שיא-לשיא שנוצר על ידי o ספקטרום זוויתיfa המצע, β הוא צימוד קבוע המבוסס על מקדם השבירה של פריזמה ואת שמן טבילה, α היא הגורם הנחתה, ומהווה גורם הכוללת עובי ואת מקדם השבירה של הסרט מדגם בתוך שדה חלוף. הרגישות של טכניקה זו על עובי ואת מקדם השבירה הוא מונע על ידי דיוק של אמידת לפיםגה עוצמות הצליל האקוסטי, p ו- p 0 בכל זוית פגיעה בספקטרום זוויתי. הוכח כי β ניתן לחשב מבוסס ישירות על המדדים השבירים של המנסרה ואת שמן הטבילה; כתוצאה מכך, היא משימה פשוטה כדי לחשב את התמסורת האופטית בכל זוית פגיעה וכדי ואז לחלץ אומדן המדד והעובי השביר של הסרט באמצעות ניתוח הולם עקום סטטיסטי. הקורא המעוניין לעיין גולדשמידט ואחות '. לקבלת מידע נוסף. 5,6

Tמערכת הוא EFPA היא מערכת המבוססת photoacoustic מסוגל לאמוד את העובי, מקדם שבירת סרט דקה, מקדם שביר בתפזורת, ויצירת אותות אקוסטיים באמצעות קליטה אופטית לגילוי. המערכת מורכבת לייזר, רכבת אופטי כדי להנחות את אור הפריזמה / המדגם לצד מדידת אנרגיית הלייזר. הצד המדידה אנרגיית הלייזר משמש לנרמל את האות photoacoustic לאנרגיית לייזר האירוע כפי שמוצג באיור 2. המערכת EFPA הוא מונע על ידי נהג מנוע צעד כדי לסובב את הפריזמה / המדגם עבור ספקטרום זוויתי ב refractometry PAS / TIRPAS ו OTPAS . המערכת רוכש נתונים באמצעות כרטיס רכישה דיגיטלי ומספקת ממשק משתמש ובקרת שלב אוטומטית באמצעות בתכנית הבית.

Protocol

1. הגדרת המערכת

  1. השתמש cyanoacrylate אפוקסי לדבוק בקוטר 9 מ"מ, 1 גליל גומי לטקס אדום עבה מ"מ על הפנים הקדמי של מתמר אולטראסאונד אחד 10 MHz ולהשתמש אפוקסי cyanoacrylate לדבוק בקוטר 9 מ"מ, 1 מ"מ גליל גומי לטקס אדום עבה על 6 מ"מ עובי בלוק אקרילי אשר לאחר מכן epoxied באותו אופן כדי מתמר התייחסות קולי לשמש spacer אקוסטית.
  2. הגדרת רכבת אופטית בעל הרחבת קרן מפגיעת הליזר ראשונה. אז במקום שני צמצם מתכווננת באופן ידני. לבסוף להשתמש בקוביית קרן splitter הקיטוב כגורם השלישי ומניחים מתמר אולטראסאונד לא במחזיק פריזמה EFPA ואת מתמר בעל פריזמה EFPA בכל פלט של ספליטר הקורה הלא מקטב.
    הערה: קוביית הקרן splitter הקיטוב משמשת כדי להבטיח קיטוב טהור, יחיד עבור עירור כמו זו היא קריטית התפקוד התקין של כל טכניקות EFPA.
  3. הרחב את outgoing קרן ליזר באמצעות עדשות ליצור הרחבה קורית של 3X לפחות מן ND הממותגת q: YAG ליזר.
    הערה: אלומת האור נופח בכוונה לעומת בולם לטקס הגומי על המתמר מדגם על מנת להבטיח תפקוד חיישן נכון למרות אור ליזר יורדים בשל שבירה דרך הפריזמה בזוויות שונות של שכיחות.
  4. יישר את הרכבת האופטית בעל פריזמה EFPA כך הצד השטוח של ההר קרוב הפריזמה יוגדר זווית 0 ° באמצעות רמה דיגיטלית. הדבר מבטיח נקודת התחלה נכונה עבור נתוני הספקטרום זוויתי כי ייאספו במהלך הניסויים.
  5. חבר וכוח על התקנים חיצוניים כגון נהג מנוע אוסצילוסקופ, צעד למחשב, מתמר הקולי, ומנועים בשלב XY. פיזית לחבר את המתמר לא הפריזמה EFPA הר אל Ch0 ופיזי לחבר את מתמר הפריזמה EFPA הר אל CH1 באמצעות 50 כבלי אוהם BNC. התוכנה מתוכנת להכיראותות coustic מהערוצים הספציפיים האלה.

2. אתחול מערכת EFPA ומערך אופטי

  1. באופן ידני להתאים את הצמצם מתכווננת כדי לחסום את הקורה כדי בקוטר 1 מ"מ.
  2. הפעל את תוכנת תכנות (למשל, LabVIEW), לקבוע את הזווית עד 70 מעלות על ידי לחיצה על הכפתור הירוק "מהלך" כדי להזיז את ההר לזווית הכרחית 70 ° עירור על ממשק פריזמה / המדגם.
  3. באמצעות משקפי מגן לייזר המתאים (OD 7+ ב 532 ננומטר), לבדוק את הפריזמה מהצד בניצב קרן הלייזר באופן ידני להעביר את שלב צירי X ו- Y. באמצעות הגלגלים ביד עד המקום לייזר 1 מ"מ הוא fluorescently גלוי על לטקס גומי. ודא כי הקרן מרוכזת על הלטקס.
  4. הרחב את הצמצם מתכווננת באופן ידני הפתיחה המקסימלית שלה ולהסתכל על הלוח הקדמי ריצה של התוכנית כדי להבטיח הן את האות photoacoustic מדידה לייזר אנרגיה מן-ההר פריזמה EFPA (l אדוםine) ואת אות photoacoustic מצד מדידת ליזר אנרגיה (הקו הלבן) גלוי והם בערך באותו משרעת.
  5. לעצור את התוכנית על ידי לחיצה על כפתור "STOP".
    הערה: אם הלחצן אינו לחוץ הפריזמה יצטרך להיות לאפס ידני לפני המשך הבדיקות. לאחר פרוטוקול האתחול הושלם, TIRPAS, PAS / TIRPAS refractometry, או OTPAS יכול להתבצע.

טכניקה 3. TIRPAS

  1. מניח את הפריזמה של פריזמה פלסטיק הר מתאם כפי שמוצג באיור 3. בשלב הבא, במקום 2.5 μl של מדד נפט טבילה מותאם לסוגים של פריזמה בשימוש, על גבי במרכז הפריזמה הכריך השמן על ידי צבת מצע על גבי שכבת שמן.
  2. מניחים 25 μl של המדגם על גומי לטקס מחובר מתמר מתמר EFPA הר כפי שמוצג באיור 3, כך שהוא מצפה את כל פני השטח ללא היווצרות בועה. המדגם יכוללהיות כל חומר אופטי הקולטת כגון פתרון של צבע, נוזל ביולוגי, או אנליטי מרחפי פתרון. אין הכנה של המדגם הוא זקוק. דחיסת הפריזמה הר והדק בהר יחד עם הרכבת ברגים כדי מומנט סט של 16.75 גר '/ מ"מ עבור כל בורג.
  3. בחר בכרטיסייה "הגדרות" ובחר "הגדרות" בתפריט הנפתח.
  4. הפעל את התוכנית זכאי OTPAS analyzer_USB-5133.vi סרט דק (קובץ משלים).
  5. הצג את הצליל האקוסטי שנוצר על ידי המדגם כפי שמוצג באיור 4.
    הערה: זוית הפגיעה יכולה להיות שונה כדי לשלוט על עומק החדירה האופטי של שדה החלוף להתבונן חלקים אופטיים דקים או עבים של המדגם.

4. PAS / TIRPAS Refractometry

  1. מניח את הפריזמה של פריזמה פלסטיק הר מתאם כפי שמוצג באיור 3. בשלב הבא, במקום 2.5 μl של מדד נפט טבילה מותאם לסוגים של פריזמה בשימוש, על המרכז הדואר של הפריזמה כריך השמן על ידי הצבת המצע על גבי שכבת שמן.
  2. מניחים 25 μl של המדגם על חתיכת גומי המחובר מתמר מתמר EFPA הר כפי שמוצג באיור 3. דחיסת הפריזמה הר והדק בהר יחד עם הרכבה הברגים כדי מומנט סט של מ"מ 16.75 g / לכל בורג.
  3. בחר בכרטיסייה "ספקטרום זוויתי" ובחר "ספקטרום זוויתי" על התפריט הנפתח. בשלב הבא, להזין את הפרמטרים המתאימים לתוכנית כפי שמוצג בטבלה 1.
  4. הפעל את התכנית ולהמתין עד ספקטרום זוויתי הושלם והתכנית הסתיימה.
  5. קליק ימני על גרף הספקטרום זוויתי ובחר "נתוני יצוא יצוא → להצטיין" כדי לשמור את הנתונים ולפתוח את קובץ ה- csv.
    1. פתח הנתונים אלה תכנית גרפים (למשל, KaleidaGraph), ולבצע נגזרת מספרית על לחיצה עליו על "פקודות מאקרו" ובחירה & #34; נגזרים ". קלט בעמודות המתאימות לקחת הנגזר ביום ולחץ" אוקיי "ושל הנגזר המספרי יחושבו.
    2. גרף הנגזר המספרי לעומת זווית ובחר "Curve לנכון". בחר באפשרות "החלקה" 5,18,98 ובחר את תיבת הסימון של הנתונים תחת "בחירות בכושר Curve" כדי להתאים להחליק רעש מהנתונים. בחר את החץ למטה תחת "תצוגה" ובחר "עקומה העתק חלון נתונים" כדי לחלץ את הנתונים עקומים עמודה נוספת.
  6. באופן ידני לחפש את העקומה למצוא את המינימום המקומי והזווית המקבילה שלה של שכיחות המצביע על מעבר מן PAS למשטרי TIRPAS. מינימום זה תואם את הזווית הקריטית נמדדת, כפי שמוצג באיור 5. שימוש במדגם n המשוואה = n ג θ חטא פריזמה, לחשב את מקדם שבירת הארי של מדגם לא הידוע על הגלאורך המשמש לחקירת ליזר. תוצאות אופייניות מוצגות בלוח 1.

5. OTPAS

  1. מניח 2.5 μl של שמן טבילה (מדד המתאים לסוג הזכוכית בשימוש) על מרכז הפריזמה.
  2. מניח את הסרט או מצע להיות למעלה בצד סרט הנבדק (מן הפריזמה) ולהבטיח כי אין בועות נוצרות במהלך השמה.
    הערה: אם בועות יוצרים, להסיר סרט מדגם או מצע ולנסות לבצע את בקשה.
  3. מניחים 25 μl של שמן טבילה על גומי לטקס כך המעילים שמן טבילה את כל פני השטח ללא היווצרות בועה.
  4. דחיסת שכבות המצע / הסרט כפי שמוצג באיור 3. הדקו את הברגים גובר מומנט סט של 16.75 גר '/ מ"מ כי חייב להיות זהה עבור כל בורג.
    הערה: מפתח מומנט בפרוטוקול נמצא oz.-in., ולכן 16.75 גר '/ מ"מ ~ 15 oz.-in.
  5. בחר בכרטיסיית "ספקטרום זוויתי" ובחר "ספקטרום זוויתי" על נפתח גבריםu. בשלב הבא, להזין את הפרמטרים המתאימים לתוכנית כפי שמוצג בטבלה 3.
  6. הפעל את התכנית ולהמתין עד ספקטרום זוויתי הושלם והתכנית הסתיימה.
  7. רץ שוב את הבדיקה על ידי ביצוע צעדים 5.1-5.6 באמצעות מצע או הסרט (לפי שלא נעשה בעבר) כפי שמוצג באיור 6.
  8. בחר "Curve Fitting" הנפתח תיבה ובחר בכרטיסיית "התאמת עקומות". בשלב הבא, להזין את הפרמטרים המתאימים כפי שמוצג בטבלה 5. בחר את הסריקה הסרט תחת "לדוגמא". בחר את סריקת המצע תחת "תשתית".
  9. הזן את המקדם השביר, קיטוב, ואפשרויות אחרות עבור הסריקות לרוץ בעבר בצעדים 5.1-5.6 כפי שמוצגים בטבלה 4.
  10. הפעל את התכנית על ידי בחירה "עקומים הולמים" הנפתחת תיבה והבחירה בכרטיסייה "העקומה ההולמת". שים את מקדם השבירה ועובי תחת4;. הסרטים RI "ו" עובי של הסרט "שמוצגת בפינה הימנית העליונה של ממשק המשתמש הגרפי של התוכנית נתונים אופייניים מוצג באיור 7.
  11. השתמש באפשרות "תצווה בכושר" כדי להתאים סריקות רבות בו-זמנית על ידי הזנת מספר הסריקות כדי להתאים תצווה ובחירת קובץ ה- csv פלט את הנתונים וחזרו על שלב 5.10.
    הערה: לאחר התכנית מנוהלת זה יתאים כל קבוצה של נתונים ופלט כל המדד, העובי השביר, וערך שייר אל csv. כדי שזה יעבוד, הסריקות חייבות להיות ברשימה מספרית כגון scan_001.csv, 002.csv סריקה, וכו '

Representative Results

תוצאות הוכחו עבור TIRPAS, PAS / TIRPAS refractometry, ו OTPAS כי הם subtechniques בתוך פלטפורמת EFPA. איור 4 מציגה גל נציג TIRPAS אקוסטי שנוצר מדגימת הקולטת. האופי הדו-קוטבי של גל אקוסטי הוא מאפיין של הטכניקה TIRPAS ומציין כי TIRPAS מתרחש. צורת גל דו-קוטבית זו מתרחשת בשל ההשתקפות אקוסטי על הממשק בין המדגם לבין מצע הזכוכית בשל הבדל גדול בהתנגדות האקוסטית. לקבלת refractometry PAS / TIRPAS איור 5 ולוח 1 הושגה. איור 5 מראה את ספקטרום זוויתי נגזרת מספרית המתקבלת למדגם עובר בדיקות כדי להעריך את המקדם השביר בתפזורת. טבלת 1 מראה את התוצאות של שימוש refractometry PAS / TIRPAS להעריך את מקדם השבירה בתפזורת של מים / PEG / תערובת צבע אדום ישיר כמו compaאדום לאומדן מקדם השבירה בתפזורת באמצעות refractometer כף יד סטנדרטי. לבסוף, תוצאות OTPAS מוצגות באיור 7 ולוח 2. איור 7 מציג שתי דמויות של סריקות זוויתי כי נלקחות במהלך OTPAS. טבלה 2 הציג השוואה בין OTPAS ו ellipsometry ספקטרוסקופיות של הדגימות אותו הסרט הדקות.

איור 1
איור 1. Subtechnologies של EFPA. EFPA מורכבת כיום משלושה-טכנולוגיות משנה מובחנות. טכנולוגיות אלה הן TIRPAS, PAS / TIRPAS refractometry, ו OTPAS. טכניקה כל יכול להעריך חומרים לגזור או לקבוע מאפיינים שונים. TIRPAS מזהה חומרים המבוססים על קליטה אופטית שלהם למטרות biosensing, PAS / TIRPAS refractometry מעריכה מקדם השבירה בתפזורת, ו OTPAS מעריכה אינדקס השבירה סרט דק עובי ד. בשנת TIRPAS, האור שמעבר ג זווית θ הקריטי יוצר שדה חלוף כי ניתן להפיק גל אקוסטי על אינטראקציה עם בולם אופטי. ב PAS / TIRPAS refractometry, הן TIRPAS וצורות גל PAS מתקבלים משני עירור photoacoustic שדה חלוף עירור photoacoustic המסורתית. על ידי התוויית שני המשטרים הללו על גרף ספקטרום זוויתי, זווית המעבר ניתן לצפות, אשר לאחר מכן ניתן להשתמש כדי לגזור את המקדם השביר. לבסוף, ב OTPAS, ספקטרום של אותות אקוסטיים מתקבל עם הקרנת ליזר מעבר ג θ הזווית הקריטי הוא שכבה דקה על מצע מצע חשוף. על ידי יישום אלגוריתם המתאים עקום שאינו ליניארי לנתונים, עובי הסרט הדק ואת מקדם שבירה ניתן לגזור. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

: לשמור-together.within-page = "1"> איור 2
. איור 2. EFPA / צילום סכמטי השמאל: כדי להגדיר EFPA את קרן הלייזר חייב להיות מורחבת תמלא יותר מדי באזור חישה המכוסה גומי לטקס. אלומת האור צריך תחילה להיות בזווית של 45 מעלות כדי הפריזמה כמוצג. מימין:. תמונה של ההתקנה מראה את הרכבת האופטית אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. טעינה לדוגמא. דוגמאות נטענות עם הפריזמה ליצור קשר אופטי באמצעות שמן טבילה למצע. בשנת TIRPAS או PAS / TIRPAS refractometry, קשר נוזל ישיר מושג עם המדגם על פני המצע לבדיקה. בשנת OTPAS, הצימוד האופטי throאיכס שמן טבילה נוסף בין המצע לבין גומי לטקס אדום מאפשר מנהור האופטי להתרחש. ההר לאחר מכן יחד הדק באמצעות מפתח מומנט ואת הרכבת ברגים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. TIRPAS נתונים טיפוסיים. גל TIRPAS בדרך כלל יש מראה אותות אקוסטיים דו קוטבי כי הוא אופייני לשיטת TIRPAS. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. PAS / TIRPAS נתונים טיפוסי. </ Strong> מימין: נתוני ספקטרום זוויתי כי מתקבלים על ידי הקרנת המדגם בזוויות שונות של שכיחות. מימין: נגזר נומרית של דמות עזבה חושפת ומינימום מקומי המציין את המעבר מן PAS למשטרי TIRPAS, אשר בתורו עולה בקנה אחד עם עמדת הזווית הקריטית. הודפס מחדש באישור. 18 אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
תרשים זרימה תוכנית איור 6.. התוכנית מנוהלת בעוד כמה צעדים איטרטיבי. הפריזמה ההר מוגדר כאפס מעלות ואז פרמטרים נבחרים לפני הפעלת התכנית. אז התוכנית מנוהלת לרכוש ספקטרום זוויתי של שני מצע וסרט. לבסוף, עקום הוא התאמה לנתונים להעריך את מקדם שבירת סרט ועובי. הודפס מחדש באישור. 6 אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
. איור 7. OTPAS נתונים טיפוסי שמאל: נתון זה מראה את סריקות ספקטרום זוויתי של סרט MGF 2 ו מצע N-BK7 בהתאמה. מימין: על ידי חלוקת סריקת ספקטרום זוויתי סרט MGF 2 על ידי סריקת מצע N-BK7 ומתרבה על ידי בטא גורם קבוע, מידה מנהור האופטי (%) לעומת זוית הפגיעה ניתן להשיג, המאפשר להערכת השבירה מדד ועובי הסרט הדק. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

PAS / TIRPAS לדוגמא 1 לדוגמא 2 דוגמא 3 לדוגמא 4 לדוגמא 5 אטאגו R-5000
אדום / PEG ישיר
125 מיקרוגרם / מ"ל 		1.395 1.395 1.395 1.395 1.395 1.395-1.397
אדום / PEG ישיר
250 מיקרוגרם / מ"ל 		1.39 1.39 1.39 1.39 1.39 1.390-1.396
אדום / PEG ישיר
500 מיקרוגרם / מ"ל 		1.388 1.389 1.389 1.389 1.389 1.381-1.395
אדום / PEG ישיר
750 מיקרוגרם / מ"ל 		1.382 1.382 1.387 1.387 1.387 1.372-1.395
מיוגלובין
460 מיקרוגרם / מ"ל 		1.33 1.329 1.331 1.33 1.331 1.335

טבלה 1. PAS / TIRPAS תוצאות. הטבלה הבאה מציגה תוצאות אופייניות צבע אדום ישיר עם 50% PEG מעורבים להעלות את המקדם השביר. הודפס מחדש באישור. 18

סוג המבחן טֶכנִיקָה סוג הסרטים מקדם שבירה עובי (ננומטר)
Intrasample OTPAS MGF 2 200 ננומטר 1.384 ± 0.004 203 ± 6
Intrasample Ellipsometry MGF 2 200 ננומטר 1.393 ± 0.001 192.4 ± 1.1
Intersample OTPAS MGF 2 200 ננומטר 1.395 ± 0.011 220 ± 19
Intersample Ellipsometry MGF 2 200 ננומטר 1.392 ± 0.002 195.2 ± 1.8

טבלה 2. OTPAS תוצאות. הטבלה הבאה מציגה תוצאות אופייניות 200 ננומטר MGF 2 סרטים דקים ב OTPAS לעומת ellipsometry ספקטרוסקופיות. Intrasample מתייחס בדיקות סרט אחד עשר פעמים, ואילו intersample מתייחס בדיקות עשרה סרטים עצמאיים. הודפס מחדש באישור. 6

# של ממוצעים 1 התחל זווית 60 חימום (דקות) 0 מקדם השבירה (פריזמה) 1.519
סריקות # 1 גודל שלב 0.1 לשמור ל "Yourfilename" .csv Microstep # 10
Q-מתג גדר 275 זווית עצורה 80 לייזר לבחור Surelite מהירות (סל"ד) 500
שגיאת סובלנות (%) 5 הפעלת ליזר עַל מסנן מעביר נמוך (פרוגRAM) 1.00 x 10 7 האצה (RPS) 200

לוח 3. הגדרות ספקטרום זוויתי עבור PAS / TIRPAS refractometry. הטבלה הבאה מציגה את ההגדרות הדרושות עבור ספקטרום זוויתי ב refractometry PAS / TIRPAS.

# של ממוצעים 64 התחל זווית 70 חימום (דקות) 1 מקדם השבירה (פריזמה) 1.519
סריקות # 1 גודל שלב 0.1 לשמור ל "Yourfilename &# 8221; .csv Microstep # 10
Q-מתג גדר 275 זווית עצורה 72 לייזר לבחור Surelite מהירות (סל"ד) 500
שגיאת סובלנות (%) 5 הפעלת ליזר עַל מסנן מעביר נמוכים (תוכנית) 1.00 x 10 7 האצה (RPS) 200

לוח 4. הגדרות ספקטרום זוויתי עבור OTPAS. הטבלה הבאה מציגה את ההגדרות הדרושות עבור ספקטרום זוויתי ב OTPAS.

תחתון מקדם השבירה 1 </ Td> סוֹבלָנוּת 1.00 x 10 -12 מצמד RI 1.519 נתוני מצע בחר yourfilename.csv
תחתון עובי 0 ננומטר ניחוש מקדם שביר 1.3 אֹרֶך גַל 532 ננומטר מספר קבצים ולשמור בחר yourfilename.csv
עובי עליון 1,000 ננומטר ניחוש עובי 200 ננומטר קיטוב P מקוטב כמה קבצים # של הקבצים שברצונך להתאים
מקס איטרציה 5,000 מצעRI 1.519 נתוני סרטים בחר yourfilename.csv סוג של התאמה בכושר יחיד / יצווה בכושר

Curve לוח 5. פרמטרים הולמים. הטבלה הבאה מציגות את הפרמטרים ההולמים העקומים הדרושים להערכת פרמטר נכון.

קובץ קוד משלימה:. סרט דק OTPAS analyzer_USB-5133.vi אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.

Disclosures

החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

Acknowledgments

פרויקט זה מומן על ידי פרס הקרן הלאומית למדע Brige (1,221,019).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
100 mm plano convex lens Thorlabs LA1509 Plano convex lens for beam expander
-30 mm plano concave lens Thorlabs LC2679 Plano concave lens for beam expander
10 MHz Ultrasonic transducers Harisonic I31006T Ultrasonic sensors used for photoacoustic detection, both for laser energy measurement and for OTPAS mount
Immersion oil Type A Cargille 16482 Index of 1.519 to match that of NBK-7 substrates
Natural latex rubber sheet (red) McMastercarr 86085K11 Index ~1.519 to match that of Type A immersion liquid to act as an optical absorber to measure optical tunneling and laser energy
Laser goggles VERE 53 Used to protect eyes from laser light
Cage mounted non polarizing beam splitter cube Thorlabs CM1-BS013 Split laser light so that one half can be measured and one half can be used for excitation
Cage mounted polarizing beam splitter cube Thorlabs CM1-PBS251 Ensure light is polarized before being used for optical tunneling experiments
Graduated ring activated iris diaphragm Thorlabs SM1D12C Cut beam down to a smaller size for alignment
Data acquisition card National Instruments USB-5133 USB oscilloscope to acquire data
Stepper motor driver National Instruments MID-7604 Stepper motor driver to drive stepper motors for angular spectra
Sherline XY stage (14”) Sherline 5600-CNC/5610-CNC Sherline XY stage
4-jaw self centering chuck Sherline 1076/1034 Sherline rotational attachment
Right angle attachment Sherline 3701 Right angle attachment to attach rotational mount
CNC rotary table Sherline 8730 Rotary table for holding OTPAS prism/sample
Surelite I-20 laser system Continuum I-20 Q-switched Nd:YAG laser for exciting samples
NBK-7 prism Thorlabs PS911 Right angle prism for EFPA
Adjustable torque wrench Tohnichi RTD40Z Adjustable torque wrench to equally tighten down the EFPA mount for each technique to 16.75 g/mm
Digital level Micromark 84519 Digital level to ensure EFPA prism holder starts at 0 degree.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Byrappa, K., Kumar, B. V. S. Characterization of zeolites by infrared spectroscopy. Asian J Chem. 19 (6), 4933-4935 (2007).
  2. Coquil, T., Richman, E. K., Hutchinson, N. J., Tolbert, S. H., Pilon, L. Thermal conductivity of cubic and hexagonal mesoporous silica thin films. J Appl Phys. 106 (3), 034910 (2009).
  3. Courjon, D. Near-Field Microscopy and Near-Field Optics. , Imperial College Press. (2003).
  4. Dultsev, F. N. Investigation of the microporous structure of porous layers using ellipsometric adsorption porometry. Thin Solid Films. 458 (1-2), 137-142 (2004).
  5. Goldschmidt, B. S. Photoacoustic Evaluation of Surfaces via Pulsed Evanescent Field Interaction. , University of Missouri. Doctor of Philosophy thesis (2014).
  6. Goldschmidt, B. S., et al. Characterization of MgF2 thin films using optical tunneling photoacoustic spectroscopy. Opt Laser Technol. 73, 146-155 (2015).
  7. Junno, T., Anand, S., Deppert, K., Montelius, L., Samuelson, L. Contact mode atomic force microscopy imaging of nanometer-sized particles. Appl Phys Lett. 66 (24), 3295 (1995).
  8. Kang, T., Oh, S., Hong, S., Moon, J., Yi, J. Mesoporous silica thin films as a spatially extended probe of interfacial electric fields for amplified signal transduction in surface plasmon resonance spectroscopy. Chem Commun. (28), 2998-3000 (2006).
  9. Kresge, C. T., Leonowicz, M. E., Roth, W. J., Vartuli, J. C., Beck, J. S. Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism. Nature. 359 (6397), 710-712 (1992).
  10. Lew, C. M., Cai, R., Yan, Y. Zeolite Thin Films: From Computer Chips to Space Stations. Acc Chem Res. 43 (2), 210-219 (2010).
  11. Marchand, D. J., Hsiao, E., Kim, S. H. Non-contact AFM imaging in water using electrically driven cantilever vibration. Langmuir. 29 (22), 6762-6769 (2013).
  12. Yamada, T., et al. Surface Photovoltage NO Gas Sensor with Properties Dependent on the Structure of the Self-Ordered Mesoporous Silicate Film. Adv Mater. 14 (11), 812-815 (2002).
  13. Harrick, N. J. Internal Reflection Spectroscopy. Harrick Scientific Corporation. , (1987).
  14. Splinter, R., Hooper, B. A. An Introduction to Biomedical Optics (Optics and Optoelectronics). , Taylor and Francis, Inc. (2006).
  15. Sathiyamoorthy, K., Joseph, J., Hon, C. J., Matham, M. V. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 8001, Braga. (2011).
  16. Hernandez, C. M., Murray, T. W., Krishnaswamy, S. Photoacoustic characterization of the mechanical properties of thin films. Appl Phys Lett. 80 (4), 691 (2002).
  17. Veldhuis, G. J., Parriaux, O., Hoekstra, H. J. W. M., Lambeck, P. V. Sensitivity enhancement in evanescent optical waveguide sensors. J Lightwave Technol. 18 (5), 677-682 (2000).
  18. Goldschmidt, B. S., et al. Photoacoustic measurement of refractive index of dye solutions and myoglobin for biosensing applications. Biomed Opt Express. 4 (11), 2463-2476 (2013).
  19. Hansma, P. K., et al. Tapping mode atomic force microscopy in liquids. Appl Phys Lett. 64 (13), 1738 (1994).
  20. Shen, Y. C., Zhang, S. Y., Jiang, Y. S., Zhu, R., Wei, Y. Angular resonance absorption spectra of Langmuir-Blodgett films studied by the photoacoustic technique. Thin Solid Films. 248 (1), 36-40 (1994).
  21. Inagaki, T., Motosuga, M., Arakawa, E. T., Goudonnet, J. P. Coupled surface plasmons in periodically corrugated thin silver films. Phys Rev B Condens Matter. 32 (10), 6238-6245 (1985).
  22. Negm, S., Talaat, H. Effect of intrinsic surface roughness and other decay processes on surface plasmon polariton resonance halfwidth. Ultrasonics Symposium. 1, 509-514 (1992).
  23. Hinoue, T., Murata, H., Kawabe, M., Yokoyama, Y. Effects of thermal diffusion and solvent materials on photoacoustic signals in total internal reflection technique. Anal Sci. 2 (5), 407-410 (1986).
  24. Xu, M., Zhang, S., Inagaki, T. Investigation of optical resonance absorption on bigratings by photoacoustic angular spectroscopy. Shengxue Xuebao/Acta Acustica. 25 (5), 440-444 (2000).
  25. Hinoue, T., Kawabe, M., Yokoyama, Y. Measurement of concentration profile of dye at glass-solution interface by photoacoustic spectrometry coupled with total internal reflection technique. Bull Chem Soc Jpn. 60 (10), 3811-3813 (1987).
  26. Iwasaki, T., Sawada, T., Kamada, H., Fujishima, A., Honda, K. Observation of semiconductor electrode-dye solution interface by means of fluorescence and laser-induced photoacoustic spectroscopy. J Phys Chem. 83 (16), 2142-2145 (1979).
  27. Rothenhausler, B., Rabe, J., Korpiun, P., Knoll, W. On the decay of plasmon surface polaritons at smooth and rough Ag-air interfaces: A reflectance and photo-acoustic study. Surf Sci. 137 (1), 373-383 (1984).
  28. Jiang, Y., Zhang, S., Shao, H., Yuan, C. Optical properties of Langmuir-Blodgett films investigated by a photoacoustic technique. Appl Opt. 34 (1), 169-173 (1995).
  29. Inagaki, T., Goudonnet, J. P., Royer, P., Arakawa, E. T. Optical properties of silver island films in the attenuated-total-reflection geometry. Appl Opt. 25 (20), 3635-3639 (1986).
  30. Talaat, H., Bucaro, J. A., Huang, W., Macdiarmid, A. G. Photoacoustic detection of plasmon surface polaritons in heavily doped polyacetylene films. Synth Met. 10 (4), 245-253 (1985).
  31. Jung, C. S., Park, G., Kim, Y. D. Photoacoustic determination of field enhancement at a silver surface arising from resonant surface plasmon excitation. Appl Phys Lett. 47 (11), 1165-1167 (1985).
  32. Inagaki, T., Nakagawa, Y., Arakawa, E. T., Aas, D. J. Photoacoustic determination of radiative quantum efficiency of surface plasmons in silver films. Phys Rev B. 26 (12), 6421-6430 (1982).
  33. Hinoue, T., Shimahara, Y., Yokoyama, Y. Photoacoustic observation of solid-liquid interface by means of total internal reflection technique. Chem Lett. 12 (2), 225-228 (1983).
  34. Hinoue, T., Shimahara, Y., Murata, H., Yokoyama, Y. Photoacoustic spectrometry by total internal reflection technique: Dependence of photoacoustic signal intensity on concentration and optical path. Bunseki kagaku. 33 (11), E459-E466 (1984).
  35. Hinoue, T., Murata, H., Yokoyama, Y. Photoacoustic spectrometry coupled with total internal reflection technique : Theory and experiment. Anal Sci. 2 (5), 401-406 (1986).
  36. Inagaki, T., Kagami, K., Arakawa, E. T. Photoacoustic study of surface plasmons in metals. Appl Opt. 21 (5), 949-954 (1982).
  37. Negm, S., Talaat, H., Pelzl, J. Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium. 2, IEEE. Piscataway, NJ, United States, Baltimore, MD, USA. 1259-1261 (1993).
  38. Talaat, H., Dardy, H. D. Ultrasonics Symposium Proceedings. 2, IEEE. New York, NY, USA, Atlanta, Ga, USA. 700-703 (1983).
  39. Royer, P., Goudonnet, J. P., Inagaki, T., Chabrier, G., Arakawa, E. T. Photoacoustic study of the optical absorption of oblate silver spheroids in attenuated-total-reflection geometry. Physica Status Solidi (a). 105 (2), 617-625 (1988).
  40. Abdallah, T., Negm, S., Talaat, H. Photoacoustic surface plasmon for the detection of nicotine. Egypt J Solids. 25 (2), 181-189 (2002).
  41. Negm, S., Talaat, H. Radiative and non-radiative decay of surface plasmons in thin metal films. Solid State Commun. 84 (1-2), 133-137 (1992).
  42. Negm, S., Talaat, H. Surface plasmon resonance halfwidths as measured using attenuated total reflection, forward scattering and photoacoustics. J Phys: Condens Matter. 1 (50), 10201-10205 (1989).
  43. Muessig, P. R., Diebold, G. J. Total internal reflectance optoacoustic spectroscopy. J Appl Phys. 54 (8), 4251 (1983).
  44. Sudduth, A. S. M., Goldschmidt, B. S., Samson, E. B., Whiteside, P. J. D., Viator, J. A. Total internal reflection photoacoustic detection spectroscopy. Progress in Biomedical Optics and Imaging. 7899, 78993E-78993E-78998 (2011).
  45. Goldschmidt, B. S., et al. Total internal reflection photoacoustic spectroscopy for the detection of beta-hematin. J Biomed Opt. 17 (6), 061212 (2012).
  46. Hinoue, T., Imamura, G., Yokoyama, Y. Study of the Adsorption Layer at the Glass-Dye Solution Interface by Variable Incidence-Angle Internal-Reflection Spectrometry. Bull Chem Soc Jpn. 66 (12), 3680-3685 (1993).
  47. Hinoue, T., Kawabe, M., Doi, S., Yokoyama, Y. Photoacoustic estimation of reflectivities at solid-liquid interfaces by using total internal reflection technique. Hyomen Kagaku. 10 (2), 129-134 (1989).
  48. Hinoue, T., Kawabe, M., Yokoyama, Y. Measurement of concentration profile of dye at glass-solution interface by photoacoustic spectrometry coupled with total internal reflection technique. Chem Soc Japan. 60, 3811-3813 (1987).
  49. Hinoue, T., Murata, H., Yokoyama, Y. Photoacoustic spectrometry coupled with total internal reflection technique: theory and experiment. Anal Sci. 2, 401-406 (1986).
  50. Kinney, J. B., Staley, R. H. Applications of photoacoustic spectroscopy. Annu Rev Mater Sci. 12, 295-321 (1982).
  51. McDonald, F. A., Wetsel, G. C. Jr Generalized theory of the photoacoustic effect. J Appl Phys. 49 (4), 2313-2322 (1978).
  52. Rosencwaig, A. Photo-acoustic spectroscopy of solids. Rev Sci Instrum. 48 (9), 1133-1137 (1977).
  53. Jacques, S. L., Palthauf, G., Viator, J. A. Photoacoustic imaging in biological tissues with pulsed lasers. Ann Biomed Eng. 28 (Suppl. 1), S-39 (2000).
  54. Xu, M., Wang, L. V. Photoacoustic imaging in biomedicine. Rev Sci Instrum. 77 (4), 041101 (2006).
  55. Rosencwaig, A. Photoacoustic spectroscopy. Annu Rev Biophys Bioeng. 9, 31-54 (1980).
  56. Hess, P. Photoacoustic, Photothermal and Photochemical Processes at Surfaces and in Thin Films. , Springer-Verlag. (1989).
  57. Rosencwaig, A. Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy. , Wiley. (1980).
  58. Rosencwaig, A. Theoretical aspects of photoacoustic spectroscopy. J Appl Phys. 49 (5), 2905-2910 (1978).
  59. Rosencwaig, A., Gersho, A. Theory of the photoacoustic effect with solids. J Appl Phys. 47 (1), 64-69 (1976).
  60. Holan, S. H., Viator, J. A. Automated wavelet denoising of photoacoustic signals for circulating melanoma cell detection and burn image reconstruction. Phys Med Biol. 53 (12), N227-N236 (2008).
  61. Viator, J. A. Characterization of Photoacoustic Sources in Tissue Using Time Domain Measurements. , Oregon Graduate Institute of Science \& Technology. (2000).
  62. Viator, J. A., et al. Clinical testing of a photoacoustic probe for port wine stain depth determination. Lasers Surg Med. 30 (2), 141-148 (2002).
  63. Viator, J. A., et al. A comparative study of photoacoustic and reflectance methods for determination of epidermal melanin content. J Invest Dermatol. 122 (6), 1432-1439 (2004).
  64. Viator, J. A., Jacques, S. L., Prahl, S. A. Depth profiling of absorbing soft materials using photoacoustic methods. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 5 (4), 989-996 (1999).
  65. Weight, R. M., Viator, J. A. Detection of circulating tumor cells by photoacoustic flowmetry. Methods Mol Biol. 1102, 655-663 (2014).
  66. Gutierrez-Juarez, G., et al. Detection of melanoma cells in vitro using an optical detector of photoacoustic waves. Lasers Surg Med. 42 (3), 274-281 (2010).
  67. McCormack, D., Bhattacharyya, K., Kannan, R., Katti, K., Viator, J. A. Progress in Biomedical Optics and Imaging - Proceedings of SPIE. 7564, (2010).
  68. McCormack, D., Bhattacharyya, K., Kannan, R., Katti, K. Enhanced photoacoustic detection of melanoma cells using gold nanoparticles. Lasers Surg Med. Viator, J. A. 43 (4), 333-338 (2011).
  69. Hu, S., Maslov, K., Tsytsarev, V., Wang, L. V. Functional transcranial brain imaging by optical-resolution photoacoustic microscopy. J Biomed Opt. 14 (4), 040503-040503-040503 (2009).
  70. Viator, J. A., et al. Gold nanoparticle mediated detection of prostate cancer cells using photoacoustic flowmetry with optical reflectance. J Biomed Nanotechnol. 6 (2), 187-191 (2010).
  71. Bhattacharyya, K., et al. Gold Nanoparticle-Mediated Detection of Circulating Cancer Cells. Clin Lab Med. 32 (1), 89-101 (2012).
  72. Galanzha, E. I., Shashkov, E. V., Tuchin, V. V., Zharov, V. P. In vivo multispectral, multiparameter, photoacoustic lymph flow cytometry with natural cell focusing, label-free detection and multicolor nanoparticle probes. Cytometry Part A. 73A (10), 884-894 (2008).
  73. Viator, J. A., Choi, B., Ambrose, M., Spanier, J., Nelson, J. S. In vivo port-wine stain depth determination with a photoacoustic probe. Appl Opt. 42 (16), 3215-3224 (2003).
  74. Wang, L. V. Multiscale photoacoustic microscopy and computed tomography. Nature Photonics. 3 (9), 503-509 (2009).
  75. Rousseau, G., Gauthier, B., Blouin, A., Monchalin, J. P. Non-contact biomedical photoacoustic and ultrasound imaging. J Biomed Opt. 17 (6), 061217-061211-061217-061217 (2012).
  76. Hochreiner, A., Bauer-Marschallinger, J., Burgholzer, P., Jakoby, B., Berer, T. Non-contact photoacoustic imaging using a fiber based interferometer with optical amplification. Biomed Opt Exp. 4 (11), 2322-2331 (2013).
  77. Wang, Y., Li, C., Wang, R. K. Noncontact photoacoustic imaging achieved by using a low-coherence interferometer as the acoustic detector. Opt Lett. 36 (20), 3975-3977 (2011).
  78. McCormack, D., et al. Photoacoustic detection of melanoma micrometastasis in sentinel lymph nodes. J Biomech Eng. 131 (7), 074519 (2009).
  79. Weight, R. M., Viator, J. A., Dale, P. S., Caldwell, C. W., Lisle, A. E. Photoacoustic detection of metastatic melanoma cells in the human circulatory system. Opt Lett. 31 (20), 2998-3000 (2006).
  80. Swearingen, J. A., Holan, S. H., Feldman, M. M., Viator, J. A. Photoacoustic discrimination of vascular and pigmented lesions using classical and Bayesian methods. J Biomed Opt. 15 (1), (2010).
  81. Talbert, R. J., Holan, S. H., Viator, J. A. Photoacoustic discrimination of viable and thermally coagulated blood using a two-wavelength method for burn injury monitoring. Phys Med Biol. 52 (7), 1815-1829 (2007).
  82. Samson, E. B., et al. Photoacoustic spectroscopy of beta-hematin. Journal of Optics. 14 (6), 065302 (2012).
  83. Goudonnet, J. P., Inagaki, T., Arakawa, E. T., Ferrell, T. L. Angular and polarization dependence of surface-enhanced Raman scattering in attenuated-total-reflection geometry. Phys Rev B. 36 (2), 917-921 (1987).
  84. Inagaki, T., Kagami, K., Arakawa, E. T. Photoacoustic observation of nonradiative decay of surface plasmons in silver. Phys Rev B. 24 (6), 3644-3646 (1981).
  85. Ruddy, V., MacCraith, B. D., Murphy, J. A. Evanescent wave absorption spectroscopy using multimode fibers. J Appl Phys. 67 (10), 6070-6074 (1990).
  86. Gupta, B. D., Singh, C. D. Fiber-optic evanescent field absorption sensor: A theoretical evaluation. iber Integr Opt. 13 (4), 433-443 (1994).
  87. Court, I. N., von Willisen, F. K. Frustrated Total Internal Reflection and Application of Its Principle to Laser Cavity Design. Appl Opt. 3 (6), 719-726 (1964).
  88. Suter, J. D., Sun, Y., Howard, D. J., Viator, J. A., Fan, X. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 7056, (2008).
  89. DeGrandpre, M. D., Burgess, L. W. Long path fiber-optic sensor for evanescent field absorbance measurements. Anal Chem. 60 (23), 2582-2586 (1988).
  90. Sun, Y., et al. Optofluidic ring resonator sensors for rapid DNT vapor detection. Analyst. 134 (7), 1386-1391 (2009).
  91. Mukundan, H., et al. Waveguide-Based Biosensors for Pathogen Detection. Sensors. 9 (7), 5783-5809 (2009).
  92. Gohring, J. T., Dale, P. S., Fan, X. Detection of HER2 breast cancer biomarker using the opto-fluidic ring resonator biosensor. Sensors and Actuators B: Chemical. 146 (1), 226-230 (2010).
  93. Sai, V. V. R., et al. Label-free fiber optic biosensor based on evanescent wave absorbance at 280nm. Sensors Actuators B: Chem. 143 (2), 724-730 (2010).
  94. Wang, F., Anderson, M., Bernards, M. T., Hunt, H. K. PEG Functionalization of Whispering Gallery Mode Optical Microresonator Biosensors to Minimize Non-Specific Adsorption during Targeted, Label-Free Sensing. Sensors (Basel). 15 (8), 18040-18060 (2015).
  95. Leung, A., Shankar, P. M., Mutharasan, R. A review of fiber-optic biosensors. Sensors Actuators B: Chem. 125 (2), 688-703 (2007).
  96. Saavedra, S. S., Reichert, W. M. Integrated optical attenuated total reflection spectrometry of aqueous superstrates using prism-coupled polymer waveguides. Anal Chem. 62 (20), 2251-2256 (1990).
  97. Cargille Labs. Cargille Microscope Immersion Oils. , http://www.cargille.com/immeroil.shtml (2015).
  98. Stineman, R. W. A Consistently Well-Behaved Method of Interpolation. Creat. Comp. , 54-57 (1980).

Tags

הנדסה גיליון 113 ספקטרוסקופיה photoacoustic סך פנימית השתקפות photoacoustic ספקטרוסקופיה אופטי תיעול photoacoustic ספקטרוסקופיה המטרולוגיה מנהור אופטי שדה חלוף ספקטרוסקופיה ברזולוציה סופר refractometry קליטה סרטים דקים מקדם השבירה פיזיקה
חלוף שדה בהתבסס Photoacoustics: הערכת נכס אופטית על משטחים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Goldschmidt, B. S., Rudy, A. M.,… More

Goldschmidt, B. S., Rudy, A. M., Nowak, C. A., Tsay, Y., Whiteside, P. J. D., Hunt, H. K. Evanescent Field Based Photoacoustics: Optical Property Evaluation at Surfaces. J. Vis. Exp. (113), e54192, doi:10.3791/54192 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter